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Verfahren und Vorrichtung zum Löschen eines Anodeneffektes
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bei der Aluminiumelektrolyse Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Löschen eines Anodeneffektes bei der Herstellung von Aluminium
mittels Schmelzflusselektrolyse sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid
wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith
besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fiuoridschmelze
auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die
Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben an einer Traverse befestigte Anoden
ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den
Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Alum.iiiiumosids Sauerstoff,
der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die Elektrolyse
findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich von etwa 940 - 9700 C statt.
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Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid.
Bei einer unteren Konzentration von 1 - 2 Gew.-% Aluminium im Elektrolyten kommt
es zum Anodeneffekt, der sich in einer Spannungserhöhung von beispielsweise 4 -
5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Dabei bilden sich an der Anodenunterseite Gasblasen,
die dort haften bleiben und die Benetzung der Anode mit dem Schmelzfluss verringern.
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Der Anodeneffekt wird beseitigt bzw. gelöscht, indem normalerweise
zwei nacheinander ausgeführte Arbeitsgänge, bei modernen Zellen vollständig automatisiert,
durchgeführt werden: - Brechen der Kruste und Einbringen von Tonerde in das Bad
der Elektrolysezelle.
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- Beseitigung der Gasblasen unter der Anode, beispielsweise durch
vorübergehendes Einführen von Holzstangen
oder Einblasen Von Pressluft.
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Die in der Praxis angewandten Verfahren zum Löschen des Anodeneffekts
haben den Nachteil, dass sie verhältnismässig lange dauern. Schon nach dem in der
DE-PS 16 08 232 beanspruchten Verfahren ist versucht worden, diese "Zünderzeit"
wesentlich, bis auf 2Q - 30 Sek., zu senken. Dabei wird die Elektrolytkruste mit
mindestens einem maschinell angetriebenen Werkzeug durchstossen und durch in dem
Stosswerkzeug befindliche Leitungen ein gasförmiges Medium dem Elektrolyten zugeführt.
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Aus der SU-PS 458 625 ist es bekannt, den Anodeneffekt in Aluminiumelektrolysezellen
zu löschen, indem staubförmiges Karbonat von Alkali- oder Erdalkalimetallen unter
die Anoden in die Zelle eingeführt werden. Da die Zerfallsprodukte dieser Karbonate
Komponenten der Aluminiumelektrolyse sind, wird durch deren Zuführung keine merkliche
Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Elektrolyten herbeigeführt. Die SU-PS
458 625 offenbart nicht, wie die staubförmigen Karbonate in das Bad gegeben und
unter die Anoden geführt werden.
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In der Praxis der Anmelderin hat sich gezeigt, dass die bekannten
Verfahren zum Löschen von Anodeneffekten bei den heutigen Zellendimensionen mindestens
2 - 3 Min. dauern. Der nützliche Effekt eines auch "Zünder" genannten Anodeneffekts
wird jedoch in wesentlich kürzerer Zeit, beispielsweise in einer halben Minute,
erreicht. Ein länger dauernder Anodeneffekt bedeutet neben einem unnötigen Energieverlust
eine übermässige Wärmeentwicklung in der Elektrolysezelle.
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Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, die eine optimal kurze
Zeitdauer des Anodeneffektes bei Aluminiumelektrolysezellen, mit geringen Umrüstungs-
und Betriebskosten, zu erreichen erlauben.
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In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass unmittelbar
nach dem Auftreten eines Anodeneffekts den Elektrolyseprozess nicht beeinträchtigende,
bei Arbeitstemperatur zu einer heftigen Gasentwicklung führende, feinkörnige Salze
mit einem Druckmedium durch einen geeigneten Kanal in den schmelzflüssigen Elektrolyten
geführt und unter die Anoden geschleudert werden.
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Der nach einer ersten Variante mit Durchflussöffnungen und im unteren
Bereich mit mindestens einer Austrittsöffnung versehene Brechmeissel, auch kurz
mit Blasmeissel bezeichnet, ist im oberen Bereich mit mindestens einem Zufuhrschlauch
für feinkörnige Salze und das Druckmedium versehen. Wenn sich ein Anodeneffekt einstellt,
wird vorzugsweise schon in Ruhestellung der Vorrichtung eine geringe Menge von Druckmedium
durch den Meissel geblasen. Anschliessend wird der Meissel zur Kruste abgesenkt
und mindestens soweit durch diese hindurchgedrückt, dass die Oeffnungen des Blasmeissels
in den flüssigen Elektrolyten eintauchen. Das aus den Oeffnungen strömende Druckmedium
verhindert das Eindringen von schmelzflüssigem Elektrolytmaterial. In dieser Arbeitsposition
wird eine wesentlich rössere Menge von Druckmedium ausgeblasen, wobei gleichzeitig
das feinkörnige Salz zum Druckmittel zudosiert wird. Nach dem Löschen des Anodeneffekts
wird die Salzzufuhr abgestellt und die Zufuhrmenge des Druckmediums gedrosselt.
Während immer noch wenig Druckmittel aus dem Blasmeissel ausfliesst, wird dieser
wieder in Ruhestellung gehoben.
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Nach einer andern, bei Elektrolysezellen mit ständig offen gehaltener
Tonerdeeinspeiseöffnung (Mittel- und Querbedienung, Point-feeding) andwendbaren
Variante erfolgt die Zufuhr des Druckmediums und der Salze über eine in den Elektrolyten
absenkbare Lanze mit mindestens einer Austrittsöffnung. Die Dosierung des Druckmediums
und der Salze erfolgt analog der im vorstehenden Absatz beschriebenen.
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Als Druckmedium wird Vorieilhaft ein Gas eingesetzt, wobei insbesondere
aus wirtschaftlichen Gründen Druckluft bevorzugt ist. Die eingeblasene Luftmenge
pro Meissel bzw. Lanze kann, je nach Austrittsöffnung, bei gedrosselter Zufuhr 5
-50 1/min., bei Vollast 100 - 2000 1/imin. betragen.
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Die feinkörnigen bzw. staubförmigen Salze bestehen vorzugsweise aus
mindestens einem Karbonat der Alkali- oder Erdalkalimetalle. Unter der Einwirkung
des schmelzflüssigen Elektrolyten zersetzen sich die Karbonate innerhalb sehr kurzer
Zeit in Metalloxide und Kohlendioxid. Als Beispiele für geeignete Karbonate, welche
den Elektrolyten nicht mit schädlochen Elementen verunreinigen, seien Soda (Na2CO3),
Kalkstein (CaCO3) und Magnesit (MgCO3) erwähnt.
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Bei in den schmelzflüssigen Elektrolyten eingetauchtem Blasmeissel
kann die Zufuhr der feinkörnigen Salze kontinuierlich oder portionenweise, z.B.
in Chargen von je 150 -250 g, erfolgen. Genügt eine Charge nicht zum Löschen eines
Anodeneffekts, so können weitere zugeführt werden.
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Die erfindungsgemässe Kombination von in den Elektrolyten eingeblasenem
Druckmedium und einem zu heftiger Gasentwicklung führenden Salz ist derart wirksam,
dass der Anodeneffekt sogar vor der erwünschten Zeit gelöscht sein könnte. Insbesondere
bei vollautomatischen, mittels EDV gesteuerten Zellen ist deshalb vorgesehen, dass
das Löschverfahren für den Anodeneffekt erst verzögert, z.B. nach 10 - 30 Sek.,
ausgelöst wird.
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In bezug auf die Vorrichtung wird die von den Erfindern gestellte
Aufgabe gelöst durch einen Vorratsbehälter für Salze mit einem Schliesszylinder,
einen darunter angeordneten kombinierten Mess- und Blasbehälter mit einer Blasdüse
und einem über einen Verbindungsschlauch angeschlossenen, durch einen Pneumatikzylinder
betätigbaren Blasmeissel mit einer inneren Bohrung und Austrittsöffnungen bzw. durch
in eine Krustenöffnung einführbare Lanze.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
schematisch: - lig. 1 eine stirnseitige Teilansicht der aufgeschnittenen Elektrolyse
zelle mit der Vorrichtung zum Löschen von Anodeneffekten, - Fig. 2 einen Vertikalschnitt
durch das untere Ende eines Blasmeissels, - Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine
Dosiervorrichtung, und - Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch den unteren Teil einer
Vorrichtung zum Löschen von Anodeneffekten, mit einer Lanze.
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Die Kohleanoden 10, welche von den Anodenstangen 12 getragen werden,
tauchen von oben in den auf dem flüssigen Aluminium 14 liegenden Elektrolyten 16
ein. Die oberste Schicht dieses Elektrolyten 16 ist zu einer Kruste 18 erstarrt.
Die Anodenträger 12 sind mittels nicht eingezeichneter Schlösser am Anodenträger
bzw, an der Traverse 20 befestigt.
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Mit dem ebenfalls nicht eingezeichneten ortsfesten Zellenaufbau verbunden
ist ein Vorratsbehälter 22 für die während eines Anodeneffekts dem Elektrolyten
zugeführten feinkörnigen Salze. Ein Schliesszylinder 24 regelt den Abfluss von Salzen
aus diesem Vorratsbehälter 22.
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Der unterhalb des Vorratsbehälters 22 für Salze angeordnete Düsenförderer
besteht aus einem Mess- und Blasbehälter 26 sowie einem Druckluftrohr 28 mit einer
Blasdüse.
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Das schüttfähige Salz wird über einen Verbindungsschlauch 30 zu der
durchgehenden Kolbenstange mit Bohrung 34 des Blas-
meissels 36
transportiert, wo es an dessen unterem Ende aus Austrittsöffnungen 38 ausgeblasen
werden kann. Der Blasmeissel 36 befindet sich in Ruhestellung, mit dem unteren Ende
auf der Höhe A. Mittels eines Pneumatikzylinders 32 kann der Blasmeissel 36 in die
Arbeitsstellung B um h abgesenkt werden. Dabei wird die Kruste 18 aus erstarrtem
Elektrolytmaterial durchstossen.
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Wie mit gestrichelten Linien angedeutet wird, kann in dieser Arbeitsstellung
B zu einer heftigen Gasentwicklung führendes Salz unter die Anoden 10 geschleudert
bzw. geblasen werden.
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Durch Betätigung des Pneumatikzylinders 32 wird der Blasmeissel wieder
in die Ruhestellung A gehoben.
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Einfachheitshalber sind Steuerungsorgane und Betätigungsmittel für
den Schliesszylinder 24, die Blasdüse und den Pneumatikzylinder 32 nicht eingezeichnet.
Diese werden zweckmässig von einem entsprechend adaptierten EDV-Programm gesteuert.
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Das in Fig. 2 dargestellte untere Ende eines Blasmeissels 36 zeigt
dessen innere Bohrung 40 und die Austrittskanäle 38, 42 für Druckmedium und Salze.
Die Austrittskanäle bzw. die Austrittsöffnung sind von beliebiger geometrischer
Form, runde Oeffnungen mit 5 - 25 mm Durchmesser sind jedoch bevorzugt.
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Die Blasmeisselunterseite 44 ist im vorliegenden Fall als horizontale
Stirnseite ausgebildet, sie kann jedoch jede für einen üblichen Brechmeissel zweckmässige
Form annehmen.
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Die in Fig. 3 im Detail dargestellte Dosiervorrichtung besteht im
wesentlichen aus dem über Flansche 46, 48 verbundenen Vorratsbehälter und dem Düsenförderer.
Die im Flansch 46 vorgesehene Austrittsöffnung für das im Vorratsbehälter 22 befindliche
Salz ist mit einem Verschlussorgan 50 verschliessbar.
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Eine auf das Druckluftrohr 28 aufgesetzte Blasdüse 52 durchgreift
eine Seitenwand des Mess- und Blasbehälters 26 in dessen unterstem Bereich. Die
der Blasdüse diagonal gegenüberliegende Wand des Mess- und Blasbehälters 26 weist
eine Oeffnung für den Vermischungsraum 54 auf, an welchen der zum Blasmeissel 36
führende Verbindungsschlauch 30 anschliesst.
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In den Verbindungsschlauch 30 mündet ein By-pass 31. Während des Absenkens
und/oder Hebens des Blasmeissels 30 wird durch die Austrittsöffnungen 38 bzw. 42
wenig Druckmedium ohne zudosiertes Salz ausgeblasen. In diesen Phasen fliesst das
Druckmedium nicht durch den Düsenförderer, sondern durch den By-pass 31.
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Das Verhältnis des dem Elektrolyten zugeführten Salzes zum Druckmedium
wird durch den Abstand der Blasdüse 52 von der Eintrittsöffnung des Vermischungsraumes
54 bestimmt: - Ist der Abstand der Düse von der Oeffnung gross, wird verhältnismässig
viel Salz gefördert.
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- Ist der Abstand der Düse von der Oeffnung jedoch klein, werden
nur geringe Mengen von Salz gefördert.
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Der in Fig. 4 dargestellte Brechmeissel 56 einer Elektrolysezelle
mit punktförmiger Tonerde zugabe (Point-feeding) hält in der Kruste 18 stets ein
entsprechendes Loch offen. Das Druckmedium und die Salze werden im vorliegenden
Fall nicht durch den Meissel 56, sondern durch eine mittels eines Druckzylinders
60 von der Ruheposition A in die Arbeitsposition B absenkbare Lanze 58. Dabei wird
das ständig offen gehaltene Loch in der Kruste 18 durchgriffen. Die Lanze hat zwei
ungefähr in horizontaler Richtung wirkende Austrittsöffnungen 38, 42.
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Durch das in der Hochziehphase des Blasmeissels bzw. der Lanze austretende
Druckmedium wird verhindert, dass die Austrittskanäle 38, 42 mit erstarrendem Elektrolytmaterial
16 verkrusten. Die Abhilfe kann noch wirkungsvoller erfolgen, indem in der Zeichnung
nicht dargestellte, dem Fachmann bekannte Flussabstreifer den hochfahrenden Blasmeissel
bzw.
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die Lanze von erstarrendem Krustenmaterial befreien.
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Die in der Senk- und Hebephase des Blasmeissels bzw. der Lanze austretende
Druckmediummenge ist verhältnismässig gering, weil sonst die zur Zellenisolation
auf der Kruste 18 aus erstarrtem Elektrolytmaterial liegende feinpulverige Tonerde
in untragbarem Masse aufgewirbelt würde.
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Beim Auftreten eines Anodeneffekts in der Zelle zur Herstellung von
Aluminium erfolgt das Löschen mittels Computersteuerung bzw. manuell auf folgende
Art: a) Der Schliesszylinder 24 hebt das Verschlussorgan 50 und schliesst den Mess-
und Blasbehälter 26 gegenüber dem Vorratsbehälter 22 ab.
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b) Das Ventil für den By-pass 31 wird geöffnet, zum direkten Blasen
von wenig Druckmedium durch den Blasmeissel bzw. die Lanze.
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c) Der Pneumatikzylinder 32 senkt den Blasmeissel 36 oder der Druckzylinder
60 die Lanze 58, aus welchen kontinuierlich Druckmedium austritt, diese durchgreifen
die Kruste 18 und ihre Stirnseite erreicht Position B unterhalb des Anodentisches
im Bereich der Interpolardistanz zwischen Anode und Kathode.
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d) Nach dem Erreichen von B wird durch Oeffnen des Ventils des Druckluftrohrs
28 die Blasvorrichtung eingeschaltet und dosiert Salz in den Elektrolyten unterhalb
der Anoden geblasen. Vorgängi(j wurde das Ventil zum By-pass 31 geschlossen.
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e) Erfordert das Löschen des Anodeneffektes mehr als eine Portion
Salz, so wird das Verschlussorgan 50 ein-oder mehrmals abgesenkt. Dabei wird der
Mess- und Blasbehälter 26 wieder mit Salz gefüllt.
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Bei kontinuierlicher Zudosierung des Salzes dagegen wird das Verschlussorgan
50 nur wenig abgesenkt und in dieser Stellung belassen.
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f) Nach dem Löschen des Anodeneffekts wird Ventil zum By-pass 31 geöffnet,
dasjenige zum Druckluftrohr 28 geschlossen und der Pneumatikzylinder 32 bzw. der
Druckzylinder 60 so betätigt, das der Blasmeissel 36 bzw. die Lanze 58 in die Ruhestellung
A gehoben werden.
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g) Der Schliesszylinder 24 senkt das Verschlussorgan 50 ab, wodurch
der Mess- und Blasbehälter 26 wieder vollständig mit Salz gefüllt wird.
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Zusammenfassung Verfahren und Vorrichtung zum Löschen eines Anodeneffektes
bei. der Aluminiume.lektrolyse Der für ElektrolysezelJen notwendige Anodeneffekt
kann nach kurzer Zeit wieder gelöscht werden, wenn unmittelbar nach des-sen Auftreten
feinkörnige Salze mit einem Druckmedium durch einen geeigneten Kanal (34, 58) in
den schmezflüssigen Elektrolyten (16) geführt und unter die Anoden (10) geschleudert
werden. Die den Elektrolyseprozess nicht beeinträchtigenden Salze führen bei Arbeitstemperatur
zu einer heftigen Gasentwicklung.
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Der das Druckmedium und die Salze zuführende Kanal ist zweckmässig
im Brechmeissel (36) oder in einer absenkbaren Lanze (38) angeordnet.
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Die Vorrichtung umfasst weiter einen Vorratsbehälter (22) für Salze
mit einem durch einen Schliesszylinder 24 betätigbaren Verschlussorgan 50, einen
darunter angeordneten kombinierten Mess- und Blasbehälter (26) mit einer Blasdüse
(52) und einen zum Blasmeissel (36) bzw. zur Lanze (58) führenden Verbindungsschlauch
(30) mit einmündendem By-pass (31).
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(Fig. 1)
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